機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)總結(jié)

1、測(cè)試技術(shù)與信號(hào)處理課程小結(jié)測(cè)試是人們認(rèn)識(shí)客觀事物的方法，測(cè)試過程是從客觀事物中提取有關(guān)信息的認(rèn)識(shí)過程。測(cè)試包括測(cè)量和實(shí)驗(yàn)，在測(cè)試過程中，需要借助專門設(shè)備，通過合適的實(shí)驗(yàn)和必要的數(shù)據(jù)處理，求得所研究對(duì)象的有關(guān)的信息量值。信息，一般可理解為消息、情報(bào)或知識(shí)。信息本身不是物質(zhì)，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質(zhì)和能量，一般說，傳輸信息的載體成為信號(hào)，信息蘊(yùn)含在信號(hào)之中。例如，古代烽火，人們觀察到的事光信號(hào)，它所蘊(yùn)含的信息是“敵人來進(jìn)攻了”。信號(hào)具有能量，它描述了物理量的變化過程，在數(shù)學(xué)上可以表示為一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)，可以取為隨時(shí)間或空間變化之圖形。例如，噪聲信號(hào)可以表示為一個(gè)時(shí)間函數(shù)；機(jī)械零件

2、的表面粗糙度，則可表示為一個(gè)二元空間變量的高度函數(shù)。信息信號(hào)的轉(zhuǎn)換、傳輸與處理過程按照信號(hào)變化的物理性質(zhì)，可分為非電信號(hào)和電信號(hào)。例如隨時(shí)間變化的力、位移、加速度等，可稱為非電信號(hào)，而隨時(shí)間變化的電壓、電流、電荷、磁通等，則成為電信號(hào)。信號(hào)的分析處理，是指從傳感器等一次敏感原件獲得初始信息，用一定的設(shè)備和手段進(jìn)行分析處理我們就所得的信號(hào)往往要經(jīng)過加工變換，例如，濾波、調(diào)制、變換、增強(qiáng)、估值等，其目的是改變信號(hào)的形式，便于分析和識(shí)別：濾除干擾噪聲，提取有用的信息。信號(hào)分析的經(jīng)典方法有時(shí)域分析法與頻域分析法，其中時(shí)域分析法是用信號(hào)的幅值隨時(shí)間變化的圖形或表達(dá)式來分析的，頻域分析法是把信號(hào)的幅值、相

3、位或能量變換為以頻率坐標(biāo)軸表示，進(jìn)而分析其頻率特性的一種方法。測(cè)試工作的全過程包含著許多環(huán)節(jié)信號(hào)可分為確定性信號(hào)和非確定性信號(hào)，確定性信號(hào)是指可以用明確數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號(hào)；非確定性信號(hào)是指不能用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號(hào)。其中確定性信號(hào)又分為周期信號(hào)和非周期信號(hào)。在所分析的區(qū)間(-,-),能量為有限值的信號(hào)為能量信號(hào)，能量不是有限值，此時(shí)研究該信號(hào)的平均功率更為合適。對(duì)周期信號(hào)，時(shí)域到頻域的變換工具是三角傅里葉級(jí)數(shù)或復(fù)數(shù)傅里葉級(jí)數(shù)。前者得到的是單邊譜，后者得到的是雙邊譜。當(dāng)用Fourier級(jí)數(shù)的諧波分量之和來表達(dá)具有間斷點(diǎn)的波形時(shí)可以看到吉布斯現(xiàn)象，它是由于展開式在間斷點(diǎn)領(lǐng)域不能均勻收斂引起的。對(duì)

4、于非周期信號(hào)，其頻域分析的數(shù)學(xué)手段是傅里葉變換。信號(hào)的分類周期信號(hào)：經(jīng)過一定時(shí)間可以重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)x(t)=x(t+nT)簡(jiǎn)單周期信號(hào)非周期信號(hào)：不會(huì)重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)鐘形脈沖等)，其面積為1。當(dāng)&一0時(shí)，Sg(t)的極限就稱為§函數(shù)，記作5(t)oS函數(shù)也稱為單位脈沖函數(shù)。§函數(shù)的性質(zhì)采樣特性：如果§函數(shù)與某一連續(xù)函數(shù)f(t)相乘，顯然其乘積僅在t=0處為f(0)5(t),其余各點(diǎn)(tM0)之乘積均為零。其中f(0)§(t)是一個(gè)強(qiáng)度為f(0)的§函數(shù)。f(tbCLf(obC)fCbC-1)=f(bC-1)ooo篩選(積分)特性jsf(t

5、C)dt二f(0)卜f(-1)dt二f()一s00卷積特性：任何函數(shù)和5函數(shù)卷積是一種最簡(jiǎn)單的卷積積分xC)*§C)=JsxGM-T)dt=Jsx(c)5(r-t)dt二x(t)sinc函數(shù)sine(t)函數(shù)又稱為抽樣函數(shù)、濾波函數(shù)或內(nèi)插函數(shù)，在許多場(chǎng)合下頻繁出現(xiàn)，其定義為./、sintsin兀tz、smc(t)=,or,(-s<t<s)復(fù)指數(shù)函數(shù)tntest=ebt-ej®ts<t<s=ebtcos®t+ebtsin®ts=b+j®根據(jù)s取值不同，復(fù)指數(shù)函可以概括信號(hào)分析中所遇到的多種波形。虛軸代表振蕩頻率，實(shí)軸代表振

6、幅變化。時(shí)域中遇到的任何時(shí)間函數(shù)，總可以表示成復(fù)指數(shù)函數(shù)的離散和與連續(xù)和。系統(tǒng)是由若干個(gè)相互作用、相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的每一個(gè)單元，也可以看成是一個(gè)基本系統(tǒng)(或元系統(tǒng))。按系統(tǒng)的輸入輸出分，系統(tǒng)可分為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)與離散時(shí)間系統(tǒng)；系統(tǒng)也可分為即時(shí)系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。即時(shí)系統(tǒng)，也稱為無記憶系統(tǒng)：其輸出信號(hào)只決定于同時(shí)刻的激勵(lì)信號(hào)，與它過去的工作狀態(tài)無關(guān)，可用代數(shù)方程描述。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，也稱有記憶系統(tǒng)：其輸出與它過去的工作狀態(tài)有關(guān)，可用微分或差分方程描述。信息就是事物運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和方式。它具有可以識(shí)別、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和傳輸?shù)男再|(zhì)。凡是可以擴(kuò)展

7、人的信息功能的技術(shù)，都是信息技術(shù)。信息技術(shù)的主體內(nèi)容包括傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。傳感技術(shù)：主要包括信息的識(shí)別、檢測(cè)、提取、變換以及某些信息處理技術(shù)，它是人的感官功能的擴(kuò)展和延伸。通信技術(shù)：包含信息的變換、傳遞存貯、處理以及某些控制與調(diào)節(jié)技術(shù)，它是人的信息傳輸系統(tǒng)(神經(jīng)系統(tǒng))功能的擴(kuò)展和延長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)技術(shù)：主要包括信息的存貯、檢索、處理、分析、產(chǎn)生(決策或稱指令信息)、以及控制等，它是人的信息處理器官(大腦)功能的延長(zhǎng)。信息論可分為廣義信息論、俠義信息論和一般信息論。狹義信息論，主要研究信息的測(cè)度、信道容量以及信源和信道編碼理論等，這一部分即山農(nóng)信息基本理論；一般信息論，也主要是研究通信問

8、題，但包括噪聲理論，信號(hào)濾波與預(yù)測(cè)，信號(hào)調(diào)制與信號(hào)處理等。廣義信息論，不僅包括上述內(nèi)容，而且包括與信息有關(guān)的領(lǐng)域，如心理學(xué)、遺傳學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)甚至包括社會(huì)學(xué)中有關(guān)信息的問題。事件發(fā)生的不確定性和事件發(fā)生的概率有關(guān)。當(dāng)一個(gè)小概率的事件發(fā)生了，它所涵蓋的信息就很大。自信息函數(shù)是一個(gè)單調(diào)遞減的函數(shù)，發(fā)生的概率越大，它所涵蓋的自信息就越小。例如，一臺(tái)機(jī)器，具有正常工作和發(fā)生事故兩種可能狀態(tài)，如果正常工作的概率為P(x1)=0.99；發(fā)生故障的概率P(x2)=O.OI，則可認(rèn)為這臺(tái)機(jī)器一般處于正常工作狀態(tài)。但是，一旦發(fā)生故障，則是一件引人注目的事件。因此，某事件發(fā)生所含有的信息量，應(yīng)該是該事件發(fā)

9、生的先驗(yàn)概率的函數(shù)，即：I(x)=fLp(x)ii式中，P(xi)是事件xi發(fā)生的先驗(yàn)概率，I(xi)表示事件xi發(fā)生所含有的信息量。根據(jù)客觀事實(shí)和人們的習(xí)慣概念，函數(shù)I(xi)應(yīng)滿足以下條件：(1) I(xi)是先驗(yàn)概率P(xi)的單調(diào)遞減函數(shù)，P(xi)越大，l(xi)越?。?2) 當(dāng)P(xi)=1時(shí)，l(xi)=O,必然事件信息量為零；(3) 當(dāng)P(xi)=O時(shí)，l(xi)=g，不可能發(fā)生的事件發(fā)生了，其信息量為無窮大；(4)兩個(gè)獨(dú)立事件的聯(lián)合信息量，等于它們各自信息量之和顯然，滿足條件(1)、(2)、時(shí)，應(yīng)取信息量I(xi)為先驗(yàn)概率P(xi)的倒數(shù)；滿足條件(4)時(shí)，最好的方法是用對(duì)

10、數(shù)來定義信息量。I（X）=logi-logP（x）ii山農(nóng)定義自信息的數(shù)學(xué)期望為信息熵，即信源的平均信息量H(X)=ELlogP(x)=-芳P(x)logP(x)iiii=1熵的單位是bit/事件或bit/符號(hào)。信息熵表征了信源整體的統(tǒng)計(jì)特性，是總體的平均不確定性的量度。對(duì)某一特定的信源，其信息熵只有一個(gè)；不同的信源，因統(tǒng)計(jì)特性不同，其熵也不同。信息熵表征了信源整體的統(tǒng)計(jì)特性，是總體的平均不確定性的量度。對(duì)某一特定的信源，其信息熵只有一個(gè)，不同的信源，因統(tǒng)計(jì)特性不同，其熵也不同。信息熵具有的性質(zhì)是對(duì)稱性、確定性、可加性和極值性。在離散信源中，當(dāng)信源的輸出狀態(tài)是等概率分布時(shí)信源的熵取最大值，在連

11、續(xù)信源中，情況有所不同，當(dāng)各約束條件不同時(shí)，信源的最大相對(duì)熵值不同，有兩種情況。其中有峰值功率受限條件下的信源最大熵和平均功率受限條件下的信源最大熵。熵與信息通過一個(gè)簡(jiǎn)單的守恒定律相聯(lián)系，即一個(gè)體系的信息與熵的和保持恒定，這就是信息與熵的守恒定律。人類感官獲取信息具有局限性，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，人類獲取信息的范圍變的更大。傳感技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)為兩個(gè)基本的方向，一是擴(kuò)展感測(cè)信息的譜域，二是提高識(shí)別信息的智能。其中擴(kuò)展譜域有視覺與光傳感器、聽覺與聲壓傳感器、觸覺與溫度傳感器和嗅覺傳感器。智能化包括動(dòng)態(tài)測(cè)量、遠(yuǎn)距離非接觸測(cè)量、特殊環(huán)境測(cè)量和微觀測(cè)量。在工程中涌現(xiàn)了許多新型的傳感器，在核輻射檢測(cè)、超聲

12、波檢測(cè)和聲發(fā)射檢測(cè)等運(yùn)用廣泛。在選用傳感器時(shí)應(yīng)該考慮的基本原則有靈敏度、響應(yīng)特性、線性、穩(wěn)定性、精確性和測(cè)量范圍等。信道是構(gòu)成一般信息傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，是載荷著信息的信號(hào)所通過的通道，它承擔(dān)了信息傳輸和存儲(chǔ)的任務(wù)。信息傳輸需要借助物質(zhì)和能量。Shannon信道容量關(guān)系式表明，一個(gè)信道可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘客耆蓭扚、時(shí)間T和信噪比Ps/Pn所決定。Shannon信道容量關(guān)系式：Ct=Flog(1+Ps/Pn)bit/sF信道帶寬Ps輸入信號(hào)的平均功率Pn引入信道的干擾噪聲的平均功率Ct單位時(shí)間內(nèi)的信道容量Shannon信道容量關(guān)系式表明，一個(gè)信道可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘客耆蓭扚、時(shí)間T和

13、信噪比Ps/Pn所決定。=Ps/NO時(shí)，Ct=Ps/NO，即此時(shí)信道容量等于信號(hào)功率與噪聲功率譜密度的比值；當(dāng)F較大時(shí)，Ct趨向于一極限值(Ps/NO)loge。根據(jù)Shannon信道容量關(guān)系式，若保持信噪比，那么設(shè)計(jì)原則應(yīng)該是環(huán)節(jié)數(shù)目盡可能少以及建立傳輸環(huán)節(jié)間的耦合關(guān)系。在測(cè)試技術(shù)中，許多情況下需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，信號(hào)的調(diào)制類型有幅值調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制三種。調(diào)幅是將一個(gè)高頻正(余)弦信號(hào)與測(cè)試信號(hào)相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。在調(diào)幅過程中要保證不出現(xiàn)過調(diào)失真和重疊失真。調(diào)頻是利用信號(hào)x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說調(diào)頻波是一種隨信號(hào)x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不

14、同的等幅波。頻率調(diào)制較之幅度調(diào)制的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是改善了信噪比。濾波器是一種選頻裝置，能夠使特殊頻率的成分通過，濾波器可分為四類，其中包括低通、高通、帶通和帶阻。A/D轉(zhuǎn)換是把連續(xù)時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號(hào)的過程，反之稱為D/A轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換包括了采樣、量化和編碼。采樣是對(duì)時(shí)間坐標(biāo)的離散化，是連續(xù)的模擬信號(hào)變成了離散信號(hào)。采樣定理為保證采樣后信號(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)信息，信號(hào)采樣頻率必須至少為原信號(hào)中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。fs>2f滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而不能保證此時(shí)的采樣信號(hào)能真實(shí)地反映原信號(hào)x(t)。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信號(hào)中最

15、高頻率成分的3到5倍。量化則是對(duì)幅值坐標(biāo)的離散化，使離散信號(hào)變成了數(shù)字信號(hào)。信號(hào)的加窗截?cái)鄷?huì)引起能量的泄漏，采用傍瓣小的窗函數(shù)以及加大窗寬能有效的減少能量的泄漏。離散傅里葉變換并非泛指對(duì)任意離散信號(hào)取傅里葉積分或傅里葉級(jí)數(shù)，而是為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算傅里葉變換而引出的一個(gè)專用名詞。若在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)算，則必須做到:(1)把連續(xù)信號(hào)改造為離散數(shù)據(jù)；(2)把計(jì)算范圍收縮到一個(gè)有限區(qū)間；(3)實(shí)現(xiàn)正、逆傅里葉變換運(yùn)算。在這種條件下所構(gòu)成的變換對(duì)稱為離散傅里葉變換對(duì)。其特點(diǎn)是，在時(shí)域和頻域中都只取有限個(gè)離散數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別構(gòu)成周期性的離散時(shí)間函數(shù)和頻率函數(shù)。數(shù)字濾波器是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性對(duì)輸入信號(hào)波形進(jìn)行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預(yù)定要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換，把輸入序列x(n)變換成一定的輸出序列y(n),從而達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。數(shù)字濾波器的濾波系統(tǒng)一般包括了采樣、數(shù)字濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及模擬濾波等。x<n)y(/f)A/D-數(shù)字濾波F"H換擬濾誼G3t1T卜丿、圖7-2數(shù)字強(qiáng)波過球維納濾波是利用最小平方濾波原理實(shí)現(xiàn)剔除噪聲的一種濾波方法